自学嵌入式day48，温度传感器

51单片机驱动DS18B20温度传感器笔记

1. DS18B20简介

单总线(1-Wire)接口： 仅需一根数据线即可完成通信（外加电源和地线），支持多个器件挂接在同一条总线上。
数字输出： 直接输出数字温度值，省去复杂的信号调理电路。
精度： 典型精度为 $\\pm0.5\^{\\circ}C$ （ $-10\^{\\circ}C$ 至 $+85\^{\\circ}C$ 范围内）。
分辨率： 可编程为9、10、11或12位，对应温度分辨率分别为 $0.5\^{\\circ}C$ 、 $0.25\^{\\circ}C$ 、 $0.125\^{\\circ}C$ 和 $0.0625\^{\\circ}C$ 。默认为12位。
温度范围： $-55\^{\\circ}C$ 至 $+125\^{\\circ}C$ 。
供电： 支持寄生供电（仅需GND和DQ两根线）或外部供电（需VDD、GND、DQ三根线）。寄生供电时，需在DQ线上接一个约4.7KΩ的上拉电阻。

2. 硬件连接 (以外部供电为例)

51单片机：
- Px.y (某个IO口) 连接至 DS18B20 的 DQ (数据线)。
- VCC 连接至 DS18B20 的 VDD。
- GND 连接至 DS18B20 的 GND。
DS18B20:
- VDD 接 +5V电源。
- GND 接地。
- DQ 接单片机IO口，并通过一个 4.7KΩ 的上拉电阻连接到 VDD。

3. 单总线通信协议要点

通信由单片机主机发起和控制，包括初始化、ROM命令、功能命令、数据传输。所有通信均以**时隙(Time Slot)**为单位。

初始化序列 (复位脉冲 + 存在脉冲)
- 主机拉低DQ线至少480μs（复位脉冲）。
- 主机释放DQ线（上拉电阻拉高）。
- DS18B20等待15-60μs后，拉低DQ线60-240μs（存在脉冲），表示响应。
- 主机检测到存在脉冲后，知道总线上有器件。
写时隙
- 写'0'时隙： 主机拉低DQ线，并保持低电平至少60μs（通常在60-120μs）。
- 写'1'时隙： 主机拉低DQ线，然后在15μs内释放DQ线（上拉拉高），并保持高电平直到时隙结束（总时隙时间至少60μs）。
- 每个写时隙只能写入1位数据，先写最低位(LSB)。
读时隙
- 主机拉低DQ线至少1μs。
- 主机释放DQ线（上拉拉高）。
- 主机在拉低后的15μs内采样DQ线电平。
  - 低电平：表示DS18B20发送了'0'。
  - 高电平：表示DS18B20发送了'1'。
- 整个读时隙应大于60μs。
- 每个读时隙只能读取1位数据，先读最低位(LSB)。
ROM命令 (识别总线上器件)
- 0x33 - Read ROM (读ROM，仅单器件时用)。
- 0x55 - Match ROM (匹配ROM，用于选择特定器件)。
- 0xCC - Skip ROM (跳过ROM，总线只有一个器件或向所有器件广播命令时用)。
功能命令 (操作DS18B20)
- 0x44 - Convert T (启动温度转换)。
- 0xBE - Read Scratchpad (读暂存器，读取温度值和配置)。
- 0x4E - Write Scratchpad (写暂存器，写TH、TL和配置寄存器)。
- 0x48 - Copy Scratchpad (复制暂存器内容到EEPROM)。
- 0xB8 - Recall EEPROM (将EEPROM内容召回至暂存器)。
- 0xB4 - Read Power Supply (读供电模式)。

4. 读取温度流程 (以跳过ROM为例)

初始化： 发送复位脉冲，检测存在脉冲。
跳过ROM： 发送命令 0xCC。
启动转换： 发送命令 0x44。
- 转换时间取决于分辨率：12位时约需750ms。在此期间，主机可以查询总线状态或等待。
初始化： 再次发送复位脉冲，检测存在脉冲。
跳过ROM： 发送命令 0xCC。
读暂存器： 发送命令 0xBE。
读取数据： 连续读取9字节（或只读前2字节温度值）。
- 第0字节：温度值低字节(LS Byte)。
- 第1字节：温度值高字节(MS Byte)。
计算温度：
- 将高低字节合并成一个16位整数 TempRaw。
- 温度值以 1/16 $\^{\\circ}$ C 为单位（12位分辨率时）。
- 实际温度 $T$ ： $$ T = \frac{\text{TempRaw}}{16} $$
- 注意：TempRaw 的最高位(bit15)是符号位。0表示正温度，1表示负温度（以补码形式存储）。
  - 负温度处理：TempRaw = TempRaw - 0xFFFF - 1 或取反加一后再计算。

c 复制代码

#include <REGX51.H>
#include <INTRINS.H> // 用于_nop_()延时

sbit DQ = P1^0; // 假设DS18B20数据线接在P1.0

// 延时函数 (需根据实际晶振频率调整)
void Delay_us(unsigned int us) {
    while (us--);
}

// 初始化 (复位 + 检测存在)
bit DS18B20_Init() {
    bit ack;
    DQ = 1; // 释放总线
    Delay_us(5);
    DQ = 0; // 主机拉低总线 (复位脉冲)
    Delay_us(480); // 保持480us以上低电平
    DQ = 1; // 释放总线，等待上拉拉高
    Delay_us(60); // 等待15-60us后采样
    ack = DQ; // 读取存在脉冲 (ack=0表示存在)
    Delay_us(420); // 等待剩余时隙时间 (总时隙>480us)
    return !ack; // 返回1表示初始化成功
}

// 写一个字节 (低位在前)
void DS18B20_WriteByte(unsigned char dat) {
    unsigned char i;
    for (i = 0; i < 8; i++) {
        DQ = 0; // 拉低总线开始写时隙
        _nop_(); // 短暂延时 (约1us)
        DQ = dat & 0x01; // 输出当前位 (最低位)
        Delay_us(60); // 保持60us以上 (写'0'时保持低，写'1'时会被释放)
        DQ = 1; // 释放总线
        dat >>= 1; // 准备下一位
        Delay_us(5); // 时隙间恢复时间
    }
}

// 读一个字节 (低位在前)
unsigned char DS18B20_ReadByte() {
    unsigned char i, dat = 0;
    for (i = 0; i < 8; i++) {
        DQ = 0; // 拉低总线开始读时隙
        _nop_(); // 短暂延时 (约1us)
        DQ = 1; // 释放总线，准备采样
        _nop_(); // 短暂延时 (约5-10us)
        if (DQ) dat |= (0x01 << i); // 在15us内采样，若为高则置位相应位
        Delay_us(50); // 等待该时隙剩余时间 (总时隙>60us)
    }
    return dat;
}

// 获取温度值 (简化流程)
float DS18B20_GetTemp() {
    unsigned char TL, TH;
    int TempRaw;
    float T;

    if (!DS18B20_Init()) return 0; // 初始化失败
    DS18B20_WriteByte(0xCC); // Skip ROM
    DS18B20_WriteByte(0x44); // Convert T
    // 此处应等待转换完成 (可延时750ms 或 查询总线状态)
    Delay_ms(750); // 简单延时等待转换 (需实现ms级延时函数)

    if (!DS18B20_Init()) return 0; // 再次初始化
    DS18B20_WriteByte(0xCC); // Skip ROM
    DS18B20_WriteByte(0xBE); // Read Scratchpad
    TL = DS18B20_ReadByte(); // 读取温度低字节
    TH = DS18B20_ReadByte(); // 读取温度高字节
    // 可以继续读取其他字节，但这里只关心温度

    TempRaw = (TH << 8) | TL; // 合成16位温度原始值
    T = (float) TempRaw * 0.0625; // 乘以分辨率 (1/16 = 0.0625)
    return T;
}

注意事项：

延时精度： 单总线协议对时序要求严格。延时函数 (Delay_us, Delay_ms) 必须根据单片机实际晶振频率精确调整。_nop_() 用于产生极短延时（1个机器周期）。
上拉电阻： 必须连接约4.7KΩ的上拉电阻到DQ线。
总线负载： 总线上的器件数量会影响信号质量。
负温度处理： 代码示例未处理负温度（当TH的最高位为1时表示负温度），实际应用中需完善。
等待转换完成： 除了延时等待，更优的方法是主机在启动转换后，不断发送读时隙，直到DS18B20返回'0'（表示转换完成）或'1'（表示仍在转换）。
寄生供电： 若使用寄生供电，在温度转换期间（特别是高分辨率时），主机需通过上拉电阻给总线提供足够的电流（强上拉），转换完成后恢复弱上拉。